PROFIBUS-DP (Distributed Peripherals) väljasiini standard on eksisteerinud üle kahe aastakümne, kuid selle füüsilise kihi nõuded on endiselt ebaselged, mis põhjustab sageli segadust transiiveri määratlustes. Ükski ebaselgus ei ole aga kindlasti takistanud PROFIBUS-ist saamast üliedukaks väljasiinilahenduseks, kuhu on maailmas paigaldatud üle 50 miljoni seadme. Uute süsteemide kasutuselevõtul on disainiinseneride jaoks ülioluline teada, et nende kasutatavad transiiverid on loodud PROFIBUS-DP-standardi uusima ja täpseima tõlgendamise jaoks.
PROFIBUS-DP (hajutatud välisseadmed) põhialused
Kiirem ja lihtsam PROFIBUS{0}}DP-standard tekkis 1993. aastal selle aeglasemast ja keerukamast põhistandardist PROFIBUS FMS (väljasiini sõnumispetsifikatsioon). PROFIBUS-DP-l on ka noorem, vähem populaarne analoog- või tuletatud standard PROFIBUS-PA (Process Automation), mis kasutab Manchester Bus Poweri (MBP) ülekannet ja saab toidet siini kaudu, muutes selle ideaalseks olemuselt ohututeks rakendusteks ohtlikes keskkondades. Kuid PROFIBUS-DP on tänapäeval kõige laialdasemalt kasutatav PROFIBUS-i versioon tänu oma pistiku-ja-mängimisele, paindlikkusele ja kuluefektiivsusele. Alates andurite ja täiturmehhanismide haldamisest tööstusettevõtetes kuni vooluhulgamõõturitega suhtlemiseni raudteejaamades ja mitmesugustes robotrakendustes – PROFIBUS{11}}DP detsentraliseerib I/O-kaardid (ülemad) kontrolleritelt anduritele ja täiturmehhanismidele (alluvatele) lähemal asuvatesse asukohtadesse.
PROFIBUS{0}}DP suudab suhelda mitme meediumi, sealhulgas vasktraadi, fiiberoptika ja isegi infrapunakommunikaatorite õhu kaudu. Praeguseks on PROFIBUS-DP-ülemate ja alamseadmete kõige levinum bitiedastusmeedium (ISO/OSI mudeli kiht 1) keerdpaarkaabel, kasutades RS485 transiivereid. See pole üllatav, arvestades RS485 kiiret-diferentsiaalsignaali ja tugevat sidet pikkadel vahemaadel mitme seadme vahel mürarikkas keskkonnas. Mitu ülemseadet, näiteks PLC-d (programmeeritavad loogikakontrollerid), saavad lineaarses topoloogias ühendada kuni 30 alamseadet segmendi kohta. Jaoturite (paralleelsed segmendid) või repiiterite (jadasegmendid) kasutamine võib laiendada võrku 124 alamseadmeni. Segmendid tuleb mõlemas otsas lõpetada, kasutades aktiivset lõpetamist. Kõik orjad saab kuumalt{15}}ühendada bussiga,
95% RS485, 5% segadust
PROFIBUS-DP võtab vastu enamiku TIA/EIA-485-A RS485 standardist, kuid sisaldab muudatusi, mis võivad suuremate süsteemiprobleemide tõttu kogemata tähelepanuta jääda. Seetõttu, vastupidiselt levinud arvamusele, ei sobi kõik RS485 transiiverid ja kaablid PROFIBUS-DP võrkudesse. Erinevused esinevad juhtmestiku, lõpetamise, signaali nimetamise ja draiveri nõuetes; nendest liiga kiiresti tähelepanuta jätmine võib kergesti kahjustada teie ülem- või alamseadmete jõudlust (või veelgi hullem, sertifikaati).
Kuigi RS485 standard ei täpsusta juhtmestiku nõudeid, on tavapäraseks soovituseks 120-Ω varjestatud keerdpaar (STP) kaabel. PROFIBUS-DP soovitab siiski 150-Ω STP-kaablit. Kahjuks ei saa 120 Ω lähendada 150 Ω ja see väike erinevus kaabli takistuses nõuab tegelikult erinevate kaablite kasutamist. PROFIBUS-DP määrab ka maksimaalsed kaablipikkused, mis sõltuvad sellest, millist 10-st edastuskiirusest "sammu" kasutatakse, ulatudes 1200 m kiirusel 9,6 kbit/s kuni 100 m kiirusel 12 Mbit/s.
Muidugi toovad erinevad kaablitakistuse nõuded kaasa erinevad otsmisnõuded. Signaali peegelduste minimeerimiseks kasutavad RS485 paigaldised tavaliselt siini mõlemas otsas ühte 120- Ω lõpptakistit, samas kui PROFIBUS-DP soovitab mõlemas otsas 171- Ω lõpptakistit. Oota, kas see on kirjaviga? PROFIBUS-DP soovitab 171 Ω, nii et kas see ei vasta soovitatud kaabli 150 Ω iseloomulikule takistusele? Absoluutselt. Joonis 1 illustreerib erinevusi PROFIBUS-DP ja RS485 jaoks kasutatava kaabli- ja lõppvõrgu vahel. Näete kahte 390 Ω siini eelpingetakistit, mida kasutatakse koos 220 Ω lõpptakistitega; diferentsiaaltakistus on 171 Ω. See ei sobi ilmselgelt ideaalselt 150-Ω kaabli jaoks, mille tulemuseks on veidi ebapiisav võrgu summutamine. Kuid ärge muretsege, sest see viitab vaid väikesele löögile või signaali pinge suurenemisele kaabli vastuvõtuotsas, mis kestab kaks korda kauem kui kaabli levimise viivitus.
Joonis 1: RS485 ja PROFIBUS{2}}DP võrkude kaablite, otste ja kontaktide määramise erinevused.
Kui kaabli/lõpetamise ebakõladest ei piisanud, peaks PROFIBUS-transiiveri siini kontaktide nimetamine teie ootusi veelgi segamini muutma. Võib-olla olete märganud joonisel 1 kasutatud vastupidiseid viigunimesid. Enamikes tavalistes RS485 transiiverites on pin A tavarežiimi -vastuvõtja sisend (ja ühise-režiimi draiveri väljund), samas kui kontakt B on diferentsiaal-režiimi vastuvõtja väljund ja draiveri sisend. Kuid PROFIBUS-standard kirjeldab siini polaarsust nii, et kontaktid B ja A on vastupidised. Miks ebakõla? Algne TIA/EIA-485-A standard ei määratlenud otseselt siini polaarsust seoses loogilise signaali funktsiooniga, nii et RS485 IC-disainerid tõlgendasid spetsifikatsiooni peaaegu alati ühel viisil, teised aga teisiti. Mida see teie jaoks tähendab? Eriti kui teil on nii RS485 kui ka PROFIBUS-DP projektid, peate transiiveri siini kontaktide ühendamisel konnektoritega väga tähelepanelik olema.
Arvestades olemasolevate määratlemata spetsifikatsioonidega transiiverite arvu, on diferentsiaaldraiveri väljundpinge (V_(OD)) PROFIBUS-DP füüsilise kihi kõige valesti mõistetud või tähelepanuta jäetud spetsifikatsioon. RS485 määrab V_(OD) ridade A ja B vahel 1,5 kuni 5 V tipp-to-diferentsiaalina, mõõdetuna draiveri klemmides, kasutades A ja B vahelisi takisteid 54-Ω. PROFIBUS-DP määrab V_(OD) V_(OD) diferentsiaalina 4,{-{17}peak mõõdetuna kaabli kaugemast otsast, mille mõlemas otsas on terminalid.
Levinud eksiarvamus on see, et kui RS485 draiver toodab üle 2,1 V 54-Ω koormusel, vastab see PROFIBUS-DP nõuetele, kui seda kasutatakse PROFIBUS-DP-ga lõpetatud võrguga. See ei ole aga alati tõsi. RS485 draiveri tugevus võib olla ülemäärane ja ületada 7-V tipp{11}}to{13}}PROFIBUS-DP piiri. Pange tähele, et kõik tavalised PROFIBUS-ühilduvad RS485 transiiverid määravad ainult minimaalse V_(OD) (st 2,1 V) ilma maksimumita. Parim meetod PROFIBUS-DP V_(OD) vastavuse tagamiseks on transiiveri testimine PROFIBUS-koormusega.
Joonis 2 illustreerib, kuidas testida LTC2877 vastupidavat PROFIBUS RS485 transiiverit, kasutades PROFIBUS-DP koormust ja mõningaid seeriatakisteid, et simuleerida kaablikadu, kus V_(OD) (sinine kõver) mõõdetakse "kaabli otsast" (A' ja B'), et tagada tõeline vastavus PROFIBUS-i spetsifikatsioonile. LTC2877 on täielikult testitud ka RS485 koormustega, et tagada VOD vastavus mõlemale standardile.
Joonis 2: LTC2877 diferentsiaalväljundpinge (VOD) testimine PROFIBUS-DP koormuse abil.
PROFIBUS{0}}DP kaitsmine
TIA/EIA-485-A standard esitab minimaalsed nõuded kaitsele müra, rikete, ESD, siirde (elektrilised kiired siirded) või liigpingete eest. Järelikult peavad transiiveri tootjad ja disainerid elektrikaitset rakendama iseseisvalt. Kuigi kaitsenõuded on rakenduseti erinevad, pakuvad teatud transiiverid, sealhulgas joonisel 3 näidatud LTC2877, kõrgetasemelist kaitset, mis vastab kõigile turunõuetele.
TIE/EIA-485-A standard määrab, et maanduse nihe kahe võrgus oleva seadme vahel võib olla vahemikus –7 kuni +12 V. Paljud PROFIBUS-DP-paigaldised võivad aga puutuda kokku sellest oluliselt kõrgema pingega, mis võib PROFIBUS-DP transiivereid tõsiselt kahjustada. PROFIBUS-i kasutatakse tavaliselt 24 V süsteemides, kus "standardse" RS485 seadme lühistamine 24 V pingele võib lõppeda surmaga. Disainerid peaksid nõudma vastuvõtjat laiendatud ühisrežiimide vahemikuga –25 kuni +25 V. Tüüpiliste PROFIBUS-DP-transiiverite asendamine ±60 V-kaitstud LTC2877-ga kõrvaldab ülepingega seotud riketest tulenevad väljatõrked, ilma et oleks vaja kulukat välist kaitset. Kuna PROFIBUS-DP transiiverid on süsteemi esimene kaitseliin, peavad nad end kaitsma erineva tasemega ESD liigpinge eest. Mõned PROFIBUS-transiiverid pakuvad pingevabalt siini kontaktidele 15 kV ESD kaitset; muud tooted, nagu LTC2877, pakuvad ±26 kV HBM ESD kaitset maanduse või toiteallika suhtes ilma lukustuseta või kahjustusteta, olenemata sellest, kas see on pingevaba või pingestatud, ja mis tahes töörežiimis. Lisaks on siini tihvtid kaitstud ±52 kV maa-maa liigpingete eest, kui toide puudub.
Teine elektrilise ülepinge vorm on EFT, mis on standardi IEC 61000-4-4 EFT järgi määratletud kui 60 mikrosekundi kestvad kõrgepinge impulsid. Seda tüüpi ülepinget põhjustavad tavaliselt lülitites ja releedes olevad kaarkontaktid, mis on levinud tööstuskeskkondades, kus elektromehaanilised lülitid ühendavad ja lahutavad induktiivseid koormusi. Need peaksid tagama, et valitud transiiver vastab standardi IEC 61000-4-4 kõrgeimale tasemele, 4. tase, mis vastab siini kontaktide 2 kV avatud vooluahela pingele.
Võib-olla on elektrilise ülekoormuse kõige tõsisem vorm looduse poolt välguna tekitatud liigpinge. Seetõttu pole üllatav, et miniatuursetel transiiveri IC-del, nagu LTC2877, puudub loomulik kaitse sellise ulatusega liigpingete eest. Selle asemel kasutatakse PROFIBUS-DP-süsteemides, kus komponendid on mis tahes viisil eksponeeritud, tavaliselt väliseid liigpingekaitsekomponente, sealhulgas MOV-sid, TVS-dioode, TSPD-sid (türistori liigpingekaitseseadmed) ja GDT-sid (gaaslahendustorud). LTC2877 ei talu üksi välgulööke, kuid selle kõrge ±60 V tihvtireiting võimaldab hõlpsasti leida väliseid kaitsekomponente, mis suudavad sellist kaitset pakkuda.